油气腐蚀管道剩余强度的可靠度分析.pdf

第 4 6卷第 l 期 2 0 0 9年 2月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P M E N T＆P I P I N G Vo 1 ． 46 No ．1 Fe h ． 2 00 9 油气腐蚀管道剩余强度的可靠度分析 高鑫磊， 王茂廷， 李金权 辽宁石油化工大学 ， 辽宁 抚顺1 1 3 0 0 1 摘 要简要介绍了油气管道腐蚀剩余强度的可靠度计算方法。根据结构可靠性分析的基本原理， 分析了油气腐 蚀管道应力和强度的随机性， 重点讲述了腐蚀管道剩余强度可靠性模型和可靠度的计算方法， 并给出了算例、 关键词 腐蚀管道； 剩余强度； 可靠度 中图分类号 T Q 0 5 5 ． 8 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 0 9 0 1 0 0 5 3 - 0 3 Re l i a bi l i t y Ana l y s i s f o r Re s i d ua l S t r e n g t h o f Co r r o de d Oi l a n d Ga s Pi pi n g GAO Xi n - l e i ， W ANG M a o - t i n g， LI J i n - q u a n L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f P e t r o c h e mi c a l T e c h n o l o g y ，W u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t The r el i a bi l i t y c a l c ul a t i o n me t h o d f o r t h e r e s i d ua l s t r e n g t h o f 0 i l a nd g a s p i p i n g i n c o r r o s i o n wa s b r i e fly i n t r o du c e d i n t h i s a r t i c l e ．B a s e d o n t h e f u n d a me n t a l p r i n c i p l e o f s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y a n a l y s i s ，t h e r a n d o mn e s s o t t h e s t r e s s i n t h e p i p i n g a n d s t r e n g t h o f t h e p i p i n g w a s a n a l y z e d ．W i t h a n e x a mp l e ，t h e r e l i a b i l i t y mo d e l o f t h e r e s i d u a l s t r e n g t h o f c o r r o d e d p i p i n g a n d t h e me t h o d o f c a l c u l a t i n g t h e r e l i a bi l i t y we r e emp h a t i c a l l y d e s c r i b e d． Ke y wo r d s c o r r o d e d p i p i n g ； r e s i d u a l s t r e n g t h ； r e l i a b i l i t y 管道的可靠度是指保证管道在规定条件下 不 发生断裂失效 、 不发生泄漏等 ， 在规定时 间内 规 定的剩余寿命或者运行年限 ， 完成规定功能 规定 输送量 、 规定输送压力和温度 的概率 J 。由于管 道腐蚀因素复杂多变， 腐蚀规律不易掌握 ， 而且管材 性能参数 、 载荷参数等都具有不确定性 ， 因此采用可 靠性概率统计的方法对腐蚀管道剩余强度进行可靠 性评价具有一定 的合理性 。 1 腐蚀管道的可靠性模型 一 般情况下 ， 考虑管道缺陷的基本参数为腐蚀 深度 ， 可以用腐蚀深度和临界腐蚀深度建立干涉模 型来预测管道寿命 ； 而对于腐蚀管道的剩余强度 ， 主 要考虑其工作压力是否大于其剩余承受压力， 因此， 可以建立工作压力和剩余承受压力干涉模型来分析 腐蚀管道的剩余强度。 1 ． 1 最大安全压力和工作压力的干涉模型 假设腐蚀管道的剩余承压能力即承受的最大安 全压力为P ， 管道的工作压力为P， 并且 P P相互独 立 ， 根据可靠性理论 ， 建立最大安全压力和工作压力 的干涉模型 ， z为干涉随机变量， 则状态方程为 Z g p ， P P 一P 1 当 Z 0时 ， 管道处于可靠状态 ； 当 Z 0时 ， 管 道处于失效状态； 当 Z0时 ， 管道处于失效的极 限 状态。 这就是典型的应力． 强度干涉模型。 。 若P 、 P相应的概率分布函数和密度分布函数 为 F p p 和 F p p ， R p 一 P 的联 合密度是-厂 P P ， 则腐蚀管道的失效概率为 P r JO[ 上 d p ⋯ lf , p 2 则可靠度 P 为 P JO p [ J 。 d p ] d p 3 2 腐蚀管道的可靠度计算 在建立了可靠性评价模型后， 可以看出 要求得 到腐蚀管道的可靠度 ， 关键是要确定工作 内压和剩 余承压能力 破坏压力 的分布 ， 由管材机械性 能测 试和管道爆破实验数据 ， 分析表 明它们都具有 近似 正态分布 。 那么对于工作 内压 P 收稿 日期 2 0 0 8 -0 9 1 1 作者简介 高鑫磊 1 9 8 3 一 ， 男 ． 山东莱芜人 ， 在读硕 上， 工程力学专 业 。主要研究方向 化工机械的可靠性 分析 5 4 化工设备与管道 第 4 6卷第 1 期 X p [ 一 号 2 ] 0 P J 0 U p 。 p [ L p d p l d p 。 6 引进安全裕度 Y Y p - p 7 因为 P 与 P均为正态分布随机变量 ， 其差 Y也 是正态分布随机变量。故有 X p [ 一 一 ∞ 8 那么可靠度 X p [ 一 号 9 联合概率分布如 图 1 。 失 效 J 慨率 ＼ ／ ＼ ＼ 度 、、 一 图 1 正 态压 力 强 度 的联 合分 布 曲线 将随机变 量 Y正规化 标 准化 为 Z Y I． e ， ／ ， ， 并令 Y 0时， 则 z O 一 三 1 o √ ； 因此， 腐蚀管道的可靠度为 图2 。 e X p Z 2 l_ 。 1 1 其中 m一 √ 。 在已知 、 的情况下 ， 可靠 度可 由 “ 标准正态积分表” 差得。 失 豫 1 J L ／ 效 概 率 、 ／ -z n z 图 2随机变量标准化分布曲线 3算例 Z 某管道运行 已达 2 O年 ， 对某些管段进行 了超声 波腐蚀检测 ， 取得 了大量的检测数据。其中某一段 管子上的内外腐蚀部位的深度 、 长度 、 方位 、 以及沿 管道长度的分布情况进行数据统计如表 1 。 通过对缺陷剩余强度的评价 ， 得出各缺陷处的 最大允许运行压力和当前的工作内压如表 2 。 表 1 某管段腐蚀缺陷尺寸统计 表 2 某管线腐蚀缺陷管段压力 P与破坏压力P 。 根据矩法可以计算 P 和P的均值及方差， 即 。 5 ． 3 2 4 ， 2 ． 3 8 2 ， p 2 ． 4 ， p 0 ． 5 4， 所 以 Z 。 一 2 ． 5 7 8 ， 查表可得， 可靠度为 P 0 ． 9 9 5 1 。 P 在其可靠度区间内， 则此管段上的腐蚀缺陷 是可接受的， 管段可安全工作。 下转第5 7页 2 0 0 9年2月 张道刚， 等．往复式压缩机管道振动的 A N S Y S分析 5 7 楚地说明了管系结构振动时 ， 管道上各个部分 的振 动幅度大小变化 ， 以及每阶振型的最大变形。 3 由共振的理论可知 ， 为 了避免共振 ， 应对管 道进行合理的设计和改造 ， 使管系的结构 固有频率 尽量避开与激发频率的共振 区。 4 具体消振方案 从上面的分析可知 ， 可以通过提高管系的结构 固有频率来避 免激发频率与结构 固有 频率 的共振 区， 从而消减管道 的振动。要想提高管系的结构 固 有频率 ， 在不改变原有管系结构的情况下 ， 最有效最 便捷 的措施便是施加有效约束 ， 在本管系结构中， 在 管道拐角处施加了两处约束 ， 如图 5所示。 图5 管线的新约束情况 施加完新增 约束条件后 ， 再 利用 B l o c k L a n c z o s 法对管线进行模态分析 ， 得 出管系结构的前 5阶固 有频率值 见表 3 和相应频率下 的振型图。 表 3 新约束条件下管线结构的前5阶固有频率 对比原约束和新约束条件下管线结构的前 5阶 固有频率和振型图可知 ， 在施加约束前后管线结构 的固有频率有了明显提高， 避开了与激发频率的共 振区， 并且振幅也有了明显减小 ， 对改善管道振动有 很理想 的效果。 5 结论 通过以上分析 ， 可得以下几点结论 1 实践 中经常遇到的往复式压缩机管道振动 主要原因之一是因为管线结构的固有频率与激发频 率共振引起的。 2 提高结构 的固有频率值 可 以有效避免共 振。而提高结构固有频率的一项有效便捷措施便是 在合适的位置施加相应约束条件 。通过施加新 的约 束条件后， 管线结构的固有频率值有了明显提高， 从 而顺利避开了与激发频率 的共振区， 消减了由共振 引起了管道剧烈振动。 3 所采取的措施简单易行 ， 并且从最后 的结 果看效果也 比较明显 ， 从 而为实践 中的此类 问题提 供 了解决方法和理论基础。 4 文 中所采用的 A N S Y S模态分 析方法 ， 与现 实结果十分吻合 ， 从 而也为此类工程 问题提供 了一 种新的分析方法和途径。 参 考 文 献 [ 1 ] 牛福春 ， 顾海 明． 往复压缩 机管道 振动分 析 [ J ] ． 压缩 机技术 ， 2 0 0 8 1 3 1 - 3 3 ． [ 2 ] 张志 飞 ， 周 昌静 ， 解 利芹． 往复压缩 机管道振 动的 消减 [ J ] ． 管 道技术与设备 ， 2 0 0 6 1 1 9 - 2 1 ． [ 3 ] 龚善初． 气体管道振动分析及消振措施[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 4 ， 2 3 9 9 7 - 9 9 ． [ 4 ] 杨志毅． 压缩机管 道振动 分析 [ J ] ． 油气 田地面 工程 ， 2 0 0 3， 2 3 7 4 1 42 ． [ 5 ] 张瑞林． 活塞式压缩 机管道 系统振 动分析及 改进 [ J ] ． 流 体机 械 ， 2 0 0 0， 2 8 6 4 0 42 ． [ 6 ] 党锡齐 ， 陈守五． 活 塞式压缩 机气流 脉动 与管道振 动 [ M] ． 西 安 西安交通大学出版社 ， 1 9 8 4 ． [ 7] 博弈创作室． A N S Y S 9 ． 0经典 产品基础教程与实例详解 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ] 郝文化． A N S Y S 实例分析与应用[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ． 上接第 5 4页 4 结束语 本文以油气长输腐蚀管道为研究对象 ， 分析了腐 蚀管道应力和强度的随机性， 分别给出了以腐蚀缺陷 深度表示的可靠性模型和以腐蚀剩余强度表示的可靠 性模型， 对某腐蚀管道进行了可靠性计算， 确定了其在 目前条件下安全运行的可靠度， 为管道的维护管理提 供了科学的依据。在我国， 因为各种各样的客观困难， 油气管道的现行设计标准是采用安全系数 的方法 J 即传统的设计方法 ， 可靠性极限设计状态设计方法 还仅仅停留在理论研究的范围。因此， 需要我国管道 工业的所有科研、 设计和管理人员共同努力， 推广和发 展这一先进设计理论 ， 最大限度地降低油气管道的工 程建设成本 ， 并从根本上保障管道的安全可靠性。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵金洲 ， 喻西崇 ， 李长 俊． 缺 陷管道 适用性 评价技 术 [ M] ． 北 京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 苏欣， 杨君， 袁宗明， 等． 腐蚀管道的可靠性评价[ J ] ．石油工 程建设 ， 2 0 0 5， 3 1 6 9 - l 2 ． [ 3 ] 刘惟信． 机械可靠性 [ M] ． 北 京 清华大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 4 ] G B 5 0 2 5 3 - -- 9 4 ， 输油管工程设计规范[ s ] ．